不同加載條件下陜西華山花崗巖破壞過程的聲發(fā)射特性

梁 樂，王志亮，2

(1.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海 200092;2.同濟(jì)大學(xué)巖土與地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

巖石在受荷破壞過程中內(nèi)部將產(chǎn)生微裂紋，微裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展造成應(yīng)力松弛，貯存的部分能量以應(yīng)力波的形式突然釋放出來，產(chǎn)生聲發(fā)射(AE)現(xiàn)象［1］。目前，聲發(fā)射技術(shù)廣泛應(yīng)用于巖石破壞特征的研究中，通過對(duì)巖體聲發(fā)射特性分析，可以判斷巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)狀態(tài)的變化，反演破壞機(jī)制，預(yù)測(cè)巖體工程的穩(wěn)定性狀態(tài)［2～7］。李庶林等［8］研究了巖石單軸受壓條件下破壞全過程的聲發(fā)射特征;余賢斌等［9］研究了直接拉伸、劈裂及單軸壓縮試驗(yàn)下巖石的聲發(fā)射特性。在巖石的三軸壓縮試驗(yàn)方面，張黎明等［10］研究了不同應(yīng)力路徑下大理巖破壞過程的聲發(fā)射特性;紀(jì)洪廣等［11］研究了二長(zhǎng)花崗巖三軸壓縮下聲發(fā)射特征的圍壓效應(yīng)，以及Kaiser效應(yīng)和Felicity效應(yīng)與圍壓大小的關(guān)系。

本文基于單軸、常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)和聲發(fā)射測(cè)試技術(shù)，對(duì)陜西華山花崗巖在單、三軸壓縮試驗(yàn)不同應(yīng)變率、不同圍壓下破壞全過程的聲發(fā)射特征進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

采用美國(guó)MTS公司的MTS815型和816型巖石三軸伺服剛性試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行華山花崗巖巖樣的三軸壓縮試驗(yàn)。室內(nèi)聲發(fā)射試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖1所示。在巖樣壓縮過程中，聲發(fā)射測(cè)試由美國(guó)PAC公司DISP型聲發(fā)射儀采集，記錄下對(duì)應(yīng)通道的聲發(fā)射count數(shù)、聲發(fā)射能量、幅值等。

圖1 聲發(fā)射系統(tǒng)示意圖Fig．1 Schematic diagram showing the AE test system

此次試驗(yàn)巖樣基本性質(zhì)見表1，巖樣規(guī)格為(50mm×100mm 圓柱體，在 5種圍壓(0、20MPa、40MPa、60MPa和 80MPa)、2 種應(yīng)變率(3×10-5/s和5×10-4/s)下，每3個(gè)1組重復(fù)相同條件下的壓縮試驗(yàn)，共30個(gè)試樣，巖樣編號(hào)如表2所示，同時(shí)對(duì)每塊巖樣進(jìn)行聲發(fā)射信號(hào)采集。試樣誤差在允許范圍內(nèi)，其平行度、平整度和垂直度都符合試驗(yàn)規(guī)程。

巖樣放置好后，連接剛性機(jī)開始試驗(yàn)，當(dāng)壓力機(jī)接觸巖樣即巖樣正式受壓的同時(shí)，開始記錄時(shí)間、壓力、變形、幅值、聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率以及累計(jì)釋放能量等數(shù)據(jù)。試驗(yàn)時(shí)，對(duì)加載系統(tǒng)采用軸向應(yīng)變控制，應(yīng)變率為3×10-5或5×10-4/s，對(duì)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，設(shè)定聲發(fā)射監(jiān)測(cè)的采樣間隔為 1μs，頻率為 102～ 104Hz［4］，聲發(fā)射檢測(cè)門檻設(shè)定為40dB，直至巖樣破壞試驗(yàn)結(jié)束。

表1 巖樣基本力學(xué)參數(shù)Table 1 Basic mechanical parameters of rock sample

表2 花崗巖巖樣編號(hào)Table 2 Number of granite samples

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 基本力學(xué)特性分析

圖2為巖樣破壞前后照片，常規(guī)三軸試驗(yàn)結(jié)果列于表3。由表3可知，在相同的應(yīng)變率下，峰值應(yīng)力隨著圍壓的增加而增加，且增加速度越來越慢，如應(yīng)變率3×10-5/s時(shí)，隨著圍壓增加，峰值應(yīng)力從139、397、544、620到681MPa逐漸增大。根據(jù)巖石力學(xué)經(jīng)驗(yàn)可知，圍壓每增加1MPa，巖石強(qiáng)度增加4～5MPa，即圍壓效應(yīng)，試驗(yàn)結(jié)果也很好地驗(yàn)證了這一結(jié)論(圖3)。在相同圍壓時(shí)，高應(yīng)變率下巖樣的峰值強(qiáng)度高于低應(yīng)變率下的相應(yīng)值，且隨著圍壓增大，這種規(guī)律越來越明顯。例如 σ3按0、20、40、60 和80MPa增加時(shí)，高應(yīng)變率比低應(yīng)變率下峰值應(yīng)力差的增值百分比為6.58%、22.66%、4.28%、9.64%和14.11%，這是由于高應(yīng)變率加載下裂紋未充分變形，從而提高了巖樣抗外荷載的能力［12］。

圖2 巖樣試驗(yàn)前后對(duì)比Fig．2 Comparison of rock sample before and after test

表3 常規(guī)三軸試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test data of conventional triaxial test

圖3 花崗巖強(qiáng)度－圍壓曲線Fig．3 Curves of peak stress versus confining pressure

2.2 聲發(fā)射特征分析

2.2.1 單軸試驗(yàn)聲發(fā)射特征分析

巖石在單軸壓縮過程中有明顯的聲發(fā)射現(xiàn)象。根據(jù)試驗(yàn)獲得的力學(xué)參數(shù)和聲發(fā)射數(shù)據(jù)繪制巖樣力學(xué)參數(shù)與聲發(fā)射參數(shù)關(guān)系圖(圖4)，分別為巖樣S11在加載過程中的應(yīng)力差-時(shí)間-聲發(fā)射事件數(shù)，應(yīng)力差-時(shí)間-幅值，應(yīng)力差-時(shí)間-振鈴計(jì)數(shù)率數(shù)和應(yīng)力差-時(shí)間-累計(jì)釋放能量曲線圖。

(1)事件計(jì)數(shù)、應(yīng)力與時(shí)間的規(guī)律從圖4a可以看出。事件計(jì)數(shù)-時(shí)間曲線與應(yīng)力-時(shí)間曲線吻合很好，S11巖樣整體破壞之前經(jīng)歷了局部破壞過程(CD)。聲發(fā)射信號(hào)很好地體現(xiàn)了巖石變形的四個(gè)階段性規(guī)律，即初始?jí)好茈A段(OA)、彈性變形階段(AB)、塑性變形階段(BE)和峰后破壞階段(EF)，包括微破裂形成之后的應(yīng)力再上升階段都有比較明顯的體現(xiàn)。應(yīng)力達(dá)到極大值前，事件計(jì)數(shù)-時(shí)間曲線會(huì)出現(xiàn)一段平臺(tái)，聲發(fā)射現(xiàn)象出現(xiàn)平靜期，該結(jié)論與以往學(xué)者觀察所得結(jié)論相一致。

圖4 單軸下S11聲發(fā)射試驗(yàn)結(jié)果Fig．4 AE test results of S11 under uniaxial compression

在初始?jí)好茈A段，應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率緩慢增大，反映巖樣內(nèi)部微裂紋逐漸壓密，巖樣體積縮小，此時(shí)聲發(fā)射事件計(jì)數(shù)增加緩慢，斜率變化的時(shí)間很短說明花崗巖巖樣的壓密階段比較不明顯。應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率接近常數(shù)時(shí)，可以視為巖樣進(jìn)入彈性變形階段，此時(shí)聲發(fā)射事件計(jì)數(shù)也呈線性增長(zhǎng)。隨著載荷的增大，巖樣進(jìn)入塑性變形階段，應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率逐漸變小，聲發(fā)射事件計(jì)數(shù)快速增長(zhǎng)，說明巖樣內(nèi)部微裂隙的快速產(chǎn)生和發(fā)展，巖樣體積這時(shí)發(fā)生變化。當(dāng)應(yīng)力發(fā)生突降時(shí)，進(jìn)入巖樣的破壞階段，伴隨著聲發(fā)射事件計(jì)數(shù)的急劇增加，主破裂面形成，巖樣發(fā)生破壞。巖樣徹底破壞之前，聲發(fā)射事件規(guī)律可以看做是材料的卸載再壓縮過程，滿足塑性變形階段的規(guī)律特點(diǎn)。

(2)振幅、振鈴計(jì)數(shù)率、累計(jì)釋放能量及應(yīng)力與時(shí)間的關(guān)系如圖4b、c和d所示，可以得知在單軸壓縮實(shí)驗(yàn)巖樣變形破壞過程中相應(yīng)參數(shù)的聲發(fā)射特征有以下規(guī)律:單軸常規(guī)壓縮在初始?jí)好茈A段裂隙的閉合會(huì)產(chǎn)生一定程度的聲發(fā)射信號(hào);到彈性階段，由于花崗巖巖樣處于彈性壓縮階段可以看作是純彈性介質(zhì)考慮，沒有微裂隙的產(chǎn)生或發(fā)展，故聲發(fā)射現(xiàn)象不明顯;由于微裂紋的閉合和貫通主要是發(fā)生在巖樣的塑性變形階段，振幅-時(shí)間曲線可以看出此時(shí)的聲發(fā)射信號(hào)密集而頻繁;臨近局部破壞時(shí)，振鈴計(jì)數(shù)和累計(jì)釋放能量急劇增加，聲發(fā)射試件振幅也有所增大;第一次峰值到第二次峰值之間，聲發(fā)射信號(hào)頻繁且幅值較大，隨后振鈴計(jì)數(shù)和巖樣釋放的累計(jì)能量急劇上升，巖樣最終產(chǎn)生整體破壞。

由此，可以把聲發(fā)射事件計(jì)數(shù)的平臺(tái)終點(diǎn)，振鈴計(jì)數(shù)和累計(jì)釋放能量的突增點(diǎn)和作為單軸壓縮實(shí)驗(yàn)脆性材料破壞的主要前兆。

2.2.2 常規(guī)三軸試驗(yàn)聲發(fā)射特征分析

花崗巖常規(guī)三軸實(shí)驗(yàn)的聲發(fā)射特征選用巖樣S52的力學(xué)參數(shù)和聲發(fā)射參數(shù)關(guān)系來表示。圖5為在常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)中的應(yīng)力差-時(shí)間-聲發(fā)射事件數(shù)、應(yīng)力差-時(shí)間-幅值、應(yīng)力差-時(shí)間-振鈴計(jì)數(shù)率數(shù)和應(yīng)力差-時(shí)間-累計(jì)釋放能量曲線圖。

由圖5可以看到，巖樣變形直接進(jìn)入彈性階段，這是由于S52的圍壓已經(jīng)達(dá)到80MPa，在高圍壓條件下，巖石本身的性質(zhì)發(fā)生改變，內(nèi)部的宏觀裂紋在加載初期就已經(jīng)閉合，因此巖石典型四階段的第一階段很難明顯地體現(xiàn)出來。在巖石變形彈性階段，聲發(fā)射信號(hào)一直十分稀少，直到進(jìn)入塑性階段后聲發(fā)射信號(hào)開始頻繁密集，事件計(jì)數(shù)、振鈴計(jì)數(shù)率和累計(jì)釋放能量逐漸升高，這是由于伴隨著應(yīng)力的升高，巖石內(nèi)部塑性變形逐步增大。進(jìn)入峰后破壞階段后，聲發(fā)射計(jì)數(shù)呈現(xiàn)線性增加，聲發(fā)射幅值巖樣破壞前后沒有明顯變化，聲發(fā)射的振鈴計(jì)數(shù)率和累計(jì)釋放能量則急劇降低。

圖5 常規(guī)三軸下S52聲發(fā)射試驗(yàn)結(jié)果Fig．5 AE test results of S52 under triaxial compression

由此，可以把聲發(fā)射事件計(jì)數(shù)線性增長(zhǎng)的起點(diǎn)，振鈴計(jì)數(shù)和累計(jì)釋放能量的突增點(diǎn)和作為常規(guī)三軸壓縮實(shí)驗(yàn)脆性材料破壞的主要前兆。

2.2.3 不同加載條件下聲發(fā)射特性差異分析

結(jié)合圖4，5以及上述分析可知，單軸與常規(guī)三軸壓縮下花崗巖破壞過程的聲發(fā)射特征主要有以下異同點(diǎn):

(1)兩種加載條件下，彈性階段內(nèi)聲發(fā)射信號(hào)均比較少，進(jìn)入塑性階段后聲發(fā)射信號(hào)開始密集出現(xiàn);破壞過程中聲發(fā)射幅值主要范圍都集中在40～100dB;在巖樣破壞之前，都會(huì)出現(xiàn)事件計(jì)數(shù)、振鈴計(jì)數(shù)率和累計(jì)釋放能量逐漸升高的過程;達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)，均出現(xiàn)振鈴計(jì)數(shù)率和累計(jì)釋放能量跳躍性的增長(zhǎng)，因此可以將振鈴計(jì)數(shù)率和累計(jì)釋放能量的突增作為巖樣破壞的前兆。

(2)與單軸相比，常規(guī)三軸試驗(yàn)更難以測(cè)得初始階段和彈性階段比較弱的聲發(fā)射信號(hào)，這是由于聲發(fā)射探頭并不是直接固定在需要檢測(cè)的巖樣上而是固定在MTS傳力桿上使得干擾較大，聲發(fā)射有效信號(hào)不容易被檢測(cè)。

(3)與單軸試驗(yàn)相比，應(yīng)力將達(dá)到峰值時(shí)，常規(guī)三軸試驗(yàn)的聲發(fā)射計(jì)數(shù)-時(shí)間曲線未出現(xiàn)明顯的平臺(tái)。

(4)常規(guī)三軸試驗(yàn)時(shí)，由于巖樣承受較大的圍壓，所以當(dāng)巖樣S52破壞時(shí)，測(cè)得的最大振鈴計(jì)數(shù)率和累計(jì)釋放能量值沒有單軸壓縮試樣S11高，最大累計(jì)釋放能量甚至相差一個(gè)數(shù)量級(jí)之多(單軸與常規(guī)三軸下的最大值分別為3.69×109和2.66×108)。

(5)在殘余變形階段，單軸試樣已經(jīng)完全破碎因此完全不存在聲發(fā)射現(xiàn)象，而三軸試件仍有比較強(qiáng)烈的聲發(fā)射信號(hào)，這是因?yàn)橛捎趪鷫旱淖饔?，常?guī)三軸巖樣破壞之后仍具有較高的殘余強(qiáng)度，殘余變形破壞及主體斷裂面之間的相互摩擦作用是這類聲發(fā)射現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因。

2.2.4 聲發(fā)射的Kaiser效應(yīng)

聲發(fā)射的Kaiser效應(yīng)是指聲發(fā)射活動(dòng)對(duì)材料荷載歷史的最大載荷值具有記憶能力，即材料加載試驗(yàn)中表現(xiàn)出的這種彈性波效應(yīng)。當(dāng)再次加載到先前經(jīng)受過的應(yīng)力水平后，其聲發(fā)射活動(dòng)將突然增加的現(xiàn)象。它是聲發(fā)射的重要特征，顯示材料的應(yīng)力記憶能力，常被看作是巖石聲發(fā)射應(yīng)力測(cè)量的物理基礎(chǔ)，是不可逆損傷累計(jì)的結(jié)果。

由圖6巖樣S51的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知:花崗巖巖樣S51經(jīng)歷了再次明顯的破壞過程，出現(xiàn)了缷荷過程以及再壓縮階段，可以視為巖樣的循環(huán)荷載作用。如圖6a和b為S51的應(yīng)力差-時(shí)間-振鈴計(jì)數(shù)率關(guān)系曲線，應(yīng)力差-時(shí)間-振幅關(guān)系曲線，可明顯看出當(dāng)巖樣荷載制裁后再次加載當(dāng)荷載超過歷史最大荷載水平時(shí)，再次出現(xiàn)了劇烈的聲發(fā)射活動(dòng)，與第一次加載破壞比較，第二次加載時(shí)振鈴計(jì)數(shù)和振幅值急劇增大，再次破壞時(shí)的振鈴計(jì)數(shù)呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)，振幅值更是超過100dB?？芍?，比較第一次加載過程，在此加載到原有歷史應(yīng)力時(shí)聲發(fā)射現(xiàn)象也更為激烈。

圖6 常規(guī)三軸下S51聲發(fā)射試驗(yàn)結(jié)果Fig．6 AE test results of S51 under triaxial compression

3 結(jié)論

(1)在相同應(yīng)變率下，巖石峰值應(yīng)力隨著圍壓的增加而增加，且增加速度越來越慢;在相同圍壓時(shí)，高應(yīng)變率下巖石的峰值強(qiáng)度高于低應(yīng)變率下的相應(yīng)值。

(2)單軸試驗(yàn)時(shí)，聲發(fā)射特征基本符合巖石加載破壞過程的四個(gè)階段，峰值應(yīng)力前的變形和屈服階段都存在一個(gè)相對(duì)平靜的臺(tái)階，聲發(fā)射事件主要集中在材料的強(qiáng)度極限附近;三軸試驗(yàn)時(shí)，聲發(fā)射特征亦基本符合四階段規(guī)律，但壓密階段幾乎觀察不到，聲發(fā)射計(jì)數(shù)-時(shí)間曲線未出現(xiàn)明顯的平臺(tái)，但巖樣在破壞之后，其聲發(fā)射現(xiàn)象仍在持續(xù)。

(3)兩種加載條件下，彈性階段內(nèi)聲發(fā)射信號(hào)均比較少，進(jìn)入塑性階段后聲發(fā)射信號(hào)開始密集出現(xiàn);破壞過程中聲發(fā)射幅值主要范圍都集中在40～100dB;在巖樣破壞之前，都會(huì)出現(xiàn)事件計(jì)數(shù)、振鈴計(jì)數(shù)率和累計(jì)釋放能量逐漸升高的過程;可以將振鈴計(jì)數(shù)率和累計(jì)釋放能量的突增作為巖樣破壞的前兆。

(4)花崗巖的聲發(fā)射特征與其承載的路徑密切相關(guān)，驗(yàn)證了巖石材料聲發(fā)射的Kaiser效應(yīng)，可明顯看出再次加載當(dāng)荷載超過歷史最大荷載水平后，再次出現(xiàn)的聲發(fā)射活動(dòng)更為劇烈。

［1］ 秦四清，李造鼎，張倬元，等.巖石聲發(fā)射技術(shù)概論［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，1993:1-2.［QIN S Q，LI Z D ZHANG Z Y，et al.Technology of Rock Acoustic Emission［M］.Chengdu:Southwest Jiaotong University Press，1993:1 -2.(in Chinese)］

［2］ CAI M，MORIOKA H，KAISER P K，et al.Backanalysis of rock mass strength parameters using AE monitoring data［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2007，44(4):538-549.

［3］ Mansurov V A.Acoustic emission from failing rock behaviour.Rock Engng，1994，27(3):173-182.

［4］ 蔡美峰.巖石力學(xué)與工程［M］.北京:科學(xué)出版社，2002.［CAI M F.Rock Mechanics and Engineering［M］.Beijing:Science Press，2002.(in Chinese)］

［5］ 鄧小鵬，相建華.寶塔山特長(zhǎng)隧道地應(yīng)力場(chǎng)研究及巖爆預(yù)測(cè)［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2013，40(1):83-88.［DENG X P，XIANG J H.A study of the geostress field of the surrounding rocks of the Baota mountain tunneland rock burstforecast［J］.Hydrogeology ＆ Engineering Geology，2013，40(1):83-88.(in Chinese)］

［6］ 王壇華，陳劍平，李楊，等.深埋低水平地應(yīng)力硬質(zhì)巖隧道穩(wěn)定性研究［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2009，36(2):98-103.［WANG T H，CHEN J P，LI Y，et al.A study of the stability of a deep-buried hardrock tunnelwith low horizontalground stress［J］.Hydrogeology＆ Engineering Geology，2009，36(2):98-103.(in Chinese)］

［7］ 陳景濤.巖石變形特征和聲發(fā)射特征的三軸試驗(yàn)研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30(2):94-96.［CHEN J T.Experimental Study on Triaxial Compression Deformation and Acoustic Emission Property of Rock［J］.Journal of Wuhan University of Technolog，2008，30(2):94-96.(in Chinese)］

［8］ 李庶林，尹賢剛，王泳嘉，等.單軸受壓巖石破壞全過程聲發(fā)射特征研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(15):2499-2503.［LI S L，YIN X G，WANG Y J，et al.Studies on acoustic emission characteristics of unaxial compressive rock failure［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，23(15):2499-2503.(in Chinese)］

［9］ 余賢斌，謝強(qiáng)，李心一，等.直接拉伸、劈裂及單軸壓縮試驗(yàn)下巖石的聲發(fā)射特性［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26(1):137-142.［YU X B，XIE Q，LI X Y，et al.Acoustic emission of rocks under direct tension Brazilian and unaxialcompression［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2007，26(1):137-142.(in Chinese)］

［10］ 張黎明，王在泉，石 磊，等.不同應(yīng)力路徑下大理巖破壞過程的聲發(fā)射特性［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，31(6):1230-1236.［ZHANG L M，WANG Z Q，SHI L，et al.Acoustic emission characteristics of marble during failure process under different stress paths［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2012，31(6):1230-1236.(in Chinese)］

［11］ 紀(jì)洪廣，張?jiān)抡?，金延，?二長(zhǎng)花崗巖三軸壓縮下聲發(fā)射特征圍壓效應(yīng)的試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，31(6):1162-1168.［JI H G，ZHANG Y Z，JIN Y，et al.Experimental study of confining pressure effect on acoustic emission characteristics of monzonite granite undertriaxial compression［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2012，31(6):1162-1168.(in Chinese)］

［12］ 沈明榮，陳建峰.巖體力學(xué)［M］.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，1999:15.［SHEN M R，CHEN J F.Rock Mass Mechanics［M］.Shanghai:Tongji University Press，1999:15.(in Chinese)］